Разработка грунта в зимних условиях

Основные свойства мерзлых грунтов

Значительная часть территории России расположена в зонах с продол­жительной и суровой зимой. Однако строительство здесь ведется круглый год, в связи с чем примерно 20 % общего объема земляных работ приходит­ся выполнять при мерзлом состоянии грунта.

Основными свойствами сезонно-мерзлых грунтов являются повышен­ная механическая прочность, наличие пластических деформаций, пучинистость и повышенное электросопротивление (рис. 3.11 ). Проявление этих свойств и глубина промерзания зависят в основном от длительности про­мерзания (рис. 3.12), температуры, влажности и вида грунта.

С понижением температуры механическая прочность грунта, а также удельное сопротивление резанию и копанию резко возрастают (в 5—8 раз). Поскольку температура мерзлого грунта изменяется по глубине, соответст­венно изменяются прочностные характеристики грунта: наибольшие значе­ния удельного сопротивления копанию имеют место в верхней, наружной части мерзлого слоя и наименьшие — на границе мерзлого и немерзлого (талого) грунта (рис. 3.11 б).

Наибольшее увеличе­ние прочности происходит у более влагоемких грунтов: пылеватых, глинистых, су­песчаных и песчаных мел­козернистых. Скальные, гра­вийные и крупнозернистые лески являются невлагоем­кими, поэтому они практи­чески не замерзают и их зимняя разработка незначи­тельно отличается от летней.

Помимо указанных факторов, глубина промер­зания грунтов зависит и от силы ветра, толщины снежного покрова, харак­тера естественного покрова (трава, пахотная земля, торф, камни, дорожные покрытия и т.д.), а также теплопроводности, влаж­ности и уровня грунтовых вод.

Мерзлые грунты в силу своей повышенной механической прочности и сопротивления копанию (разрушению) усложняют производство земляных работ в зимних условиях и ограничивают возможность применения земле­ройных (экскаваторов) и землеройно-транспортных машин (бульдозеров, скреперов, грейдеров), уменьшают производительность транспортных средств, способствуют быстрому износу деталей, особенно рабочих орга­нов. В то же время временные выемки в мерзлом грунте можно разрабаты­вать без откосов.

В зависимости от конкретных местных условий разработку грунта в холодное время года осуществляют следующими методами: 1) предохране­нием грунта от промерзания; 2) оттаиванием мерзлого грунта; 3) рыхлени­ем мерзлого грунта; 4) непосредственной разработкой мерзлого грунта.

Разработка мерзлого грунта

Непосредственная разработка мерзлого грунта (без предварительного рыхления) ведется двумя методами: блочным и механическим.

При блочном методе монолит мерзлого грунта разрезается на блоки баровыми машинами (по взаимно перпендикулярным направлениям), после чего блоки удаляют экскаватором, строительным краном или трактором (рис. 3.13). При глубине промерзания до 0,6 м достаточно сделать только продольные прорезы. Глубина прорезаемых щелей в мерзлом слое состав­ляет 0,8h_пр (h_пр — глубина промерзания), так как ослабленный слой на гра­нице мерзлой и талой зон не препятствует отрыву блоков от массива. Рас­стояние между нарезанными щелями зависит от размеров кромки ковша экскаватора (размеры блоков должны быть на 10-15 % меньше ширины зева ковша экскаватора). Для отгрузки блоков применяют экскаваторы с ковшами вместимостью 0,5 м³ и выше, оборудованные преимущественно обратной лопатой, так как выгрузка блоков из ковша прямой лопатой силь­но затруднена.

Механический метод основан на силовом (иногда в сочетании с удар­ным или вибрационным) воздействии на массив мерзлого грунта. Реализу­ется применением как обычных землеройных и землеройно-транспортных машин, так и машин, оборудованных специальными рабочими органами.

Обычные машины применяют при небольшой глубине промерзания грун­та: экскаваторы с прямой и обратной лопатой с ковшом вместимостью до 0,65 м³ — при промерзании 0,25 м; то же с ковшом вместимостью до 1,6 м³ — 0,4 м; экскаваторы-драглайны — до 0,15 м; бульдозеры и скреперы — 0,05-0,1 м.

Расширение использования в зимнее время одноковшовых экскавато­ров возможно при применении специального оборудования — ковшей с виброударными активными зубьями (рис.3.14 а) и ковшей с захватно-клещевым устройством (рис. 3.14 6). За счет избыточного режущего усилия одноковшовые экскаваторы могут послойно разрабатывать массив мерзлого грунта, объединяя процессы рыхления и экскавации.

Послойную разработку грунта также можно осуществлять специализи­рованной землеройно-фрезерной машиной, которая снимает слой толщиной до 0,3 м и шириной 2,6 м (рис. 3.14 в). Перемещение разработанного мерз­лого грунта производят бульдозерным оборудованием, входящим в ком­плект машины.

Предохранение грунта от промерзания

Грунты, подлежащие разработке в зимнее время, предохраняют от промерзания следующими способами: вспахиванием, в том числе с после­дующим боронованием и снегозадержанием; глубоким рыхлением; утепле­нием теплоизоляционными материалами; покрытием быстротвердеющей пеной (пенопластом); введением в грунт химических реагентов (солевых растворов).

Мероприятия по предохранению грунтов от промерзания осуществляют поздней осенью, перед наступлением заморозков, а по предохранению осно­ваний траншей и котлованов — немедленно после выемки из них грунта.

Вспахивание и снегозадержание применяют в средней полосе России для утепления участков грунта, подлежащих разработке в первой трети зимы. Вспашку ведут тракторными плугами или рыхлителями на глубину 20-35 см с последующим боронованием на глубину 15—20 см в одном направлении (или в перекрестных направлениях), что повышает термоизоляционный эффектна 18-30%.

Одним из эффективных способов предохранения грунтов от промерза­ния является их предварительное глубокое (до 1,5 м) рыхление. Образую­щаяся при рыхлении гребенчатая поверхность задерживает снег, который, в свою очередь, также защищает грунт от промерзания. Глубокое рыхление рекомендуется применять для малосвязных (супеси) и гравелистых грунтов на участках, разрабатываемых в последнюю треть зимы.

В результате вспахивания и рыхления верхний слой грунта приобрета­ет высокопористую структуру с замкнутыми пустотами, заполненными воздухом, которая обладает достаточными термоизоляционными свойства­ми, из-за чего глубина промерзания такого слоя, даже в суровую зиму, зна­чительно меньше глубины промерзания грунта в естественном состоянии.

Небольшие поверхности грунта защищают от промерзания утеплением теплоизоляционными материалами. В качестве теплоизоляционных мате­риалов применяют, как правило, местные дешевые материалы: древесные опилки, стружку, листья, соломенные маты, сено, камышит, шлак, торфя­ную мелочь, сухой мох и т. д. Толщина слоя утеплителя составляет в сред­нем от 20 до 40 см.

Покрытие быстротвердеющей пеной, заключается в ее нанесении на поверхность грунта с наступлением устойчивой отрицательной тем­пературы воздуха. Быстротвердеющая пена (Пенопласт) обладает высокой пористостью и в замерзшем виде хорошо предохраняет грунт от промерза­ния. Слой пены толщиной 30-50 см отдаляет начало замерзания грунта на полтора-два месяца. Толщину пенопласта можно принимать из расчета 10-15 см на 1000 градусо-дней отрицательной температуры. Пену приго­товляют и наносят с помощью пеногенерирующих установок. Недостаток данного метода заключается в его дороговизне.

Химический способ предохранения грунта применяется в условиях средней и южной полосы страны, где температура на поверхности грунта под слоем снега не опускается ниже —15°С. Осенью соль (технический хлористый натрий или хлористый калий) укладывают на очищенную по­верхность грунта или вносят в грунт на глубину 10…25 см инфильтрацией соляного раствора с поверхности, а также инъецированием его в грунт (при наличии тяжелых глинистых грунтов). Требуемое количество водного рас­твора солей и их концентрацию определяют расчетом.

Агрессивное воздействие солей на строительные конструкции и повы­шенная электропроводимость пропитанных солями грунтов, усиливающая влияние блуждающих токов на подземные сооружения, ограничивают при­менение химического способа предохранения грунтов от промерзания (и оттаивания).

Оттаивание мерзлого грунта

Оттаивание мерзлого грунта осуществляют тепловыми способами, характеризующимися значительной трудоемкостью и энергоемкостью. По­этому их применяют только в тех случаях, когда другие эффективные мето­ды недопустимы или неприемлемы, а именно: вблизи действующих под­земных коммуникаций и кабелей; при необходимости оттаивания промерз­шего основания; при аварийных и ремонтных работах; в стесненных усло­виях (особенно при техническом перевооружении и реконструкции пред­приятий).

Способы оттаивания мерзлого грунта классифицируют как по направ­лению распространения теплоты в грунте, так и по применяемому виду те­плоносителя.

По направлению распространения теплоты в грунте применяются сле­дующие способы оттаивания:

поверхностное оттаивание (по поверхности грунта от нагревателя, раз­мещенного на ней);

глубинное оттаивание снизу вверх (к поверхности грунта от нагревате­ля, размещенного ниже слоя мерзлого грунта);

радиальное оттаивание (в радиальном направлении от нагревателя, размещенного в шпуре в мерзлом слое грунта);

комбинированное оттаивание (в нескольких направлениях от нагре­вателей, расположенных в любой зоне мерзлого грунта или на поверхно­сти).

Способ поверхностного оттаивания достаточно легок и прост в при­менении, так как требует минимальных подготовительных работ, но мало­эффективен, так как источник теплоты размещается в зоне холодного воз­духа, что приводит к большим потерям тепла.

Главный недостаток способа глубинного оттаивания — необходимость выполнения трудоемких подготовительных операций, что ограничивает область его применения, но расход энергии минимален, так как оттаивание происходит под защитой льдоземляной корки и теплопотери при этом практически исключаются.

Способ радиального оттаивания по своим экономическим показателям занимает промежуточное положение между двумя ранее описанными, а для осуществления требует значительных подготовительных работ.

По виду теплоносителя различают следующие основные способы от­таивания мерзлых грунтов.

Огневой способ представляет из себя оттаивание грунта сжиганием твердого или жидкого топлива в агрегате звеньевого типа, состоящего из ряда металлических коробов в форме разрезанных по продольной оси усе­ченных конусов, из которых собирают сплошную галерею (рис. 3.15). Этот способ применяется для отрывки зимой небольших траншей. Первый из коробов представляет собой камеру сгорания, в которой сжигают топливо. Вытяжная труба последнего короба обеспечивает тягу, благодаря которой продукты сгорания проходят вдоль галереи и прогревают расположенный под ней грунт. Для уменьшения теплопотерь галерею обсыпают слоем та­лого грунта или шлака. После оттаивания участка на глубину 20-30 см, ус­тановка перемещается на соседний участок, а на поверхность полосы оттаяв­шего грунта насыпают опилки слоем до 30 см. За счет аккумулированной в грунте теплоты происходит его дальнейшее оттаивание на глубину до 1 м.

Для оттаивания 1 м грунта расходуется 120-140 кг торфа, 30-60 кг угля, 0,15м³ дров. Расход жидкого топлива составляет 4-5 кг на 1 м³ грунта.

Способ электропрогрева основан на оттаивание грунта электродами и нагревателями.

При применении электродов электрический ток пропускают через ра­зогреваемый материал, в результате чего он приобретает положительную температуру. Основными техническими средствами являются горизонталь­ные или вертикальные электроды.

Горизонтальные электроды представляют собой металлические эле­менты из полосовой или круглой стали, укладываемые по поверхности от­таиваемого грунта, концы которых отгибают на 15-20 см для подключения к проводам (рис. 3.16 а). Поверхность отогреваемого участка покрывается слоем опилок толщиной 15-20 см, смоченных солевым раствором концен­трации 0,2-0,5 % с таким расчетом, чтобы его масса была не менее массы опилок. Так как замерзший грунт не является проводником, то смоченные опилки вначале служат токопроводящим элементом. Температура в опилках может достигать 80-90 С. В результате нагрева опилок происходит оттаивание верхнего слоя грунта, который превращается в проводник тока. После этого начинает оттаивать следующий слой грунта, затем нижележа­щие. В дальнейшем опилочный слой защищает отогреваемый участок от потерь теплоты в атмосферу, для чего его покрывают толем или щитами. Этот способ применяют при глубине промерзания грунта до 0,7 м, расход электроэнергии на отогрев 1 м³ грунта колеблется от 150 до 300 МДж.

Вертикальные электроды изготавливают из круглой арматурной стали диаметром 16-20 мм или труб диаметром 25-50 мм, заостренных с одного конца. Электроды вставляют в пробуренные скважины или забивают от­бойными пневматическими или электрическими молотками.

При оттаивании сверху вниз (глубина промерзания 0,7 м) их забивают в грунт в шахматном порядке на глубину 20-25 см и устраивают на поверх­ности грунта опилочную засыпку, увлажненную солевым раствором. По мере оттаивания верхних слоев грунта электроды погружают на большую глубину (рис.3.16 б). После отключения электроэнергии в течение 1-2 дней глубина оттаивания’ продолжает увеличиваться за счет аккумулированной в грунте теплоты под защитой опилочного слоя. Расход энергии при этом способе несколько ниже, чем при способе горизонтальных электродов.

При прогреве снизу вверх электроды вставляются или забиваются на глубину 5-10 см ниже мерзлого слоя. Электрический ток, пройдя под мерз­лым слоем (мерзлый грунт плохо пропускает ток) по незамерзшему грунту, выделяет тепло, которое аккумулируется и оттаивает вышележащие слои мерзлого грунта (рис. 3.16 в). Расстояние между рядами электродов b =0,86а, где а = 0,4-0,8 м — расстояние между электродами в ряду. Расход энергии при отогреве снизу вверх существенно снижается, составляя 50-150 МДж на 1 м³, и применения опилок не требуется.

При комбинированном способе стержневые электроды заглубляют в подстилающий талый грунт и одновременно устраивают на поверхности грунта опционную засыпку, пропитанную солевым раствором. Оттаивание грунта происходит в направлении как сверху вниз, так и снизу вверх. Этот способ применяется лишь в исключительных случаях, когда необходимо экстренно осуществить оттаивание грунта. Трудоемкость подготовитель­ных работ при комбинированном способе значительно выше, чем в первых двух вариантах.

Трубчатые электронагреватели (ТЭНы) и коаксиальные нагреватели обычно используются при радиальном оттаивании. ТЭНы изготовляются из стальных бесшовных трубок диаметром 8-2 мм, внутри которых находится спираль из нихромовой проволоки диаметром 0,6 мм и длиной 20 м. Про­странство между трубкой и спиралью заполняется прессованным перикла-зом, обладающим хорошей теплопроводностью. ТЭНы отличаются не­сложностью конструкции и быстротой оттаивания грунта, но при их ис­пользовании необходимо укрывать поверхность.

Коаксиальные нагреватели состоят из двух труб, помещенных соосно одна в другую и заваренных с одного конца. Зазор между трубами заполня­ется кварцевым или речным просушенным песком и заливается жидким стеклом. Напряжение подводится к трубам через контактные пластины. Коаксиальные нагреватели конструктивно просты, безопасны и несложны в эксплуатации, но скорость и радиус оттаивания ими грунта меньше, чем ТЭНами.

Оттаивание следует чередовать с термосным выдерживанием. В част­ности, продолжительность первого периода прогрева составляет 6-12 ч, термосное выдерживание — 3-6 ч. Такой цикл (прогрев и термос) в зависи­мости от глубины промерзания и физико-механических свойств грунта по­вторяют 2-3 раза.

При производстве работ по оттаиванию мерзлых грунтов рационально между нагревателями оставлять некоторые зоны непрогретого грунта с толщиной стенок, позволяющей их разработку непосредственно экскавато­рами. Это дает возможность сократить энергоемкость оттаивания на 40-50 %. При ручной разработке необходимо, чтобы грунт оттаял полностью.

Оттаивание грунта паровыми, водяными и электрическими иглами. Паровые иглы, представляют собой металлические трубы длиной до 2 м, диаметром 25-50 мм (рис. 3.17 а), на нижнюю часть которых насажены ко­нусные перфорированные наконечники с нижним отверстием для выхода пара. Иглы устанавливают в пробуренные скважины на площади будущего котлована, в шахматном порядке, с расстоянием между рядами 1-1,5 м на глубину равную 0,8 глубины промерзания. Скважины закрывают защитны­ми теплоизолирующими колпаками, снабженными сальниками для пропус­ка паровой иглы. Для уменьшения теплопотерь в атмосферу прогреваемую поверхность покрывают сверху слоем термоизолирующего материала (на­пример, опилок). На строительную площадку пар поступает по магист­ральному паропроводу от передвижной котельной установки (если отсутст­вует централизованное снабжение паром). Иглы соединяют с паропроводом гибкими резиновыми шлангами с кранами, пар подают под давлением 0,06-0,07 МПа. По мере оттаивания мерзлого грунта рабочий, поворачивая паро­вую иглу с помощью рукояток, разрабатывает резцами талый грунт и по­гружает иглу на нужную глубину. Оттаивание мерзлого грунта паровыми иглами ведут от 2-3 ч (песчаные грунты) до 4-6 ч (глинистые грунты) с перерывами 1-2 ч, после чего вновь пускают пар. Недостатки способа: до­роговизна; большой расход пара (50-100 кг на 1 м³ грунта); пар, конденси­руясь в затрубном пространстве скважины, увлажняет грунт; необходимо иметь паровой котел с утепленными паропроводами; трудоемкость (при монтаже, демонтаже и утеплении трубопроводов), металлоемкость и гро­моздкость. Этот метод требует расхода теплоты примерно в 2 раза больше, чем метод глубинных электродов.

Водяные иглы (рис. 3.17 б) размещают по площади будущего котлована аналогично паровым на расстоянии друг от друга 0,75-1,5 м, что зависит от вида грунта и требуемой скорости его оттаивания. Водяная циркуляционная игла состоит из двух труб: наружной с заостренным наконечником и внут­ренней. По наружной трубе подается вода с температурой 70 °С а по внут­ренней отводится охлажденная вода к передвижной котельной установке. Горячая вода, циркулируя между стенками наружной и В1гутренней трубы, отдает теплоту промерзшему грунту. Для уменьшения тепловых потерь э атмосферу поверхность оттаиваемого грунта покрывают слоем опилок. Достоинства способа: грунт не увлажняется как при оттаивании с помощью паровых игл; КПД несколько выше по сравнению с предыдущим способом, поскольку вода, пройдя циркуляционные иглы, возвращается в котел с по­ложительной температурой. Недостатки те же, что и при использовании паровых игл.

Электрические иглы, представляют собой металлические трубы длиной около 1 м, диаметром 50-60 мм. Внутри иглы установлен нагревательный элемент (нихромовая спираль). Для большей аккумуляции теплоты и луч­шей теплоотдачи пространство между стенками трубы и спиралью (намо­танной, на диэлектрический сердечник) засыпано мелким песком. Электри­ческие иглы подключают к электрической сети переменного тока напряже­нием 220 В. Электроиглы устанавливают на глубину 0,8 от величины про­мерзания грунта на расстоянии друг от друга до 1,2 м.

Рыхление мерзлого грунта

Рыхление мерзлого грунта осуществляют взрывным или механически­ми способами с последующей разработкой землеройными или землеройно-транспортными машинами.

Рыхление взрывом является экономичным, его целесообразно приме­нять при больших объемах работ и глубине промерзания более 1,5 м в но­вых районах застройки, где вблизи нет зданий и сооружений. На застроен­ных участках данный способ применяют ограниченно с использованием укрытий и локализаторов взрыва (тяжелых пригрузочных плит). При рых­лении на глубину до 1,5 м применяют шпуровой и щелевой методы, а при больших глубинах — скважинный или щелевой.

Шпуры диаметром 50-70 мм, располагают в шахматном порядке на расстоянии друг от друга не более 1 м, глубиной 0,8-0,9 толщины мерзлого слоя. Щели шириной 6-25 см нарезают щеленарезными машинами фрезер­ного типа или баровыми машинами на расстоянии 0,9-1,2 м одна от другой (рис. 3.18 а). Глубина щели делается на 15-20 см выше линии промерзания грунта, чтобы повысить КПД взрыва и исключить образование «котлов» -вдавливания грунта. Из трех соседних щелей заряжается одна средняя; крайние и промежуточные щели служат для компенсации сдвига мерзлого грунта во время взрыва и для снижения сейсмического эффекта. Заряжают щели удлиненными или сосредоточенными зарядами, после чего их зали­вают песком. При взрыве мерзлый грунт полностью дробится, не повреж­дая стенок котлована или траншеи (рис. 3.18 6).

Механические способы рыхления базируются на резании, раскалывании или сколе слоя мерзлого грунта статическим или динамическим воздейст­вием. Способ рыхления резанием основан на непрерывном воздействии режущего усилия в мерзлом грунте, создаваемого специальным рабочим органом — зубом.

Для этого применяют оборудование, у которого непрерывное режущее усилие зуба создается за счет тягового усилия трактора-тягача. Машины этого типа рыхлят грунт на глубину 0,3-0,4 м, параллельными (примерно через 0,5 м) проходками с последующими поперечными проходками под углом 60-90° к предыдущим. Разработка грунта производится послойно (рис. 3.19 а), производительность рыхлителя составляет 15-20 м³/ч в смену. В качестве статических рыхлителей применяют также гидравлические экс­каваторы с рабочим органом — зубом-рыхлителем (рис. 3.19 б). Возмож­ность послойной разработки мерзлого грунта позволяет применять статиче­ские рыхлители при любой глубине промерзания.

Динамическое воздействие основано на создании ударных нагрузок на открытой поверхности мерзлого грунта. Грунт разрушают молотами сво­бодного падения (рыхление раскалыванием) либо молотами направленного действия (рыхление сколом). Молот может иметь форму шара или клина (рис. 3.20 а) массой до 5 т, подвешиваемого на канате к стреле экскаватора и сбрасываемого с высоты 5-8 м. Шары рекомендуется применять при рых­лении песчаных и супесчаных грунтов, а клинья — глинистых (при глубине промерзания 0,5-0,7 м). Производительность экскаватора, работающего с клин- или шар-молотом, не превышает 60 м³ мерзлого грунта за смену. Не­достатком рыхления грунтов этим способом является чрезмерный расход тальных канатов и повышенные нежелательные динамические нагрузки на узлы экскаватора.

В качестве молота направленного действия широко применяют дизель-молоты и гидромолоты (рис. 3.20 б, в), которые используются в качестве навесного оборудования к экскаватору или трактору. Дизель-молоты позво­ляют разрушать грунт на глубину до 1,3 м. Гидромолотами можно рыхлить не только мерзлые, но и скальные грунты, асфальтобетонные покрытия и т.п. Мерзлый грунт разрабатывается слоями толщиной 40-60 см при про­изводительности от 5-6 до 20-25 м³/ч в зависимости от типа гидромолота.

Ерофеев В.Т.

«Проектирование пр-ва земляных работ»